長輸油氣管道工藝設備的自動控制技術研究

陳凱

（深圳中質安股份有限公司，廣東深圳518107）

1 長輸管道自動控制的必要性

長輸油氣管道不僅距離長、輸送壓力高，在設計、施工、運行管理過程中，各個環節都有可能存在缺陷點，可能造成管線設備及連接部位氣體泄漏而引起火災、爆炸等事故。

1.1 腐蝕失效時自動控制的重要性

如果防護不當，管道受到大氣中的水分、氧、酸性污染物等物質的作用而引起大氣腐蝕。長輸管道埋地敷設，因受所處環境的土壤類型、土壤電阻率、土壤含水量（濕度）、p H、硫化物含量、氧化還原電位、微生物、雜散電流及干擾電流等因素的影響，會造成管道電化學腐蝕、化學腐蝕、微生物腐蝕、應力腐蝕和干擾腐蝕等[1]。眾多腐蝕情況如果不能及時發現，后果將是十分嚴重的，但若是人工去檢測，將要投入巨大的人力物力，采用自動控制手段可以大大地提高工作效率，并且準確發現問題，及時解決問題。

1.2 疲勞失效時自動控制的重要性

管道、設備等設施在交變應力作用下發生的破壞現象稱為疲勞破壞。交變應力是因載荷作用而產生隨時間周期或無規則變化的應力。經過長時間反復作用，管道會發生突然破壞。

如果管道經常開停車或變負荷，系統流動不穩定，穿越公路、鐵路處地基振動產生管道振動，輸送介質將在管道內部產生不規則的壓力波動，引起交變應力。管道內部與周圍土壤環境溫度不同，輸送介質流量、溫度變化引起熱應力，這種交變熱應力也會導致疲勞失效。

管道、設備等設施在制造過程中，不可避免地存在開孔或支管連接，焊縫存在錯邊、棱角、余高、咬邊或夾渣、氣孔、裂紋、未焊透、未熔合等內部缺陷，這些幾何不連續將造成應力集中。隨著交變應力的作用在這些幾何不連續部位或缺陷部位將產生疲勞裂紋，會逐漸擴展并最終貫穿整個壁厚，從而導致介質泄漏或火災、爆炸事故。

當管道正常運行后，可以通過自動控制技術及時發現存在的內部缺陷，盡早修復，避免造成重大損失。

1.3 成品油長輸管道水擊時自動控制的重要性

成品油長輸管道密閉輸送工藝產生勢必會產生水擊，管道流體流速發生突然變化時，會引起壓力突變，造成壓力波在管內迅速傳遞，與出站壓力疊加，使管道超出承載能力，產生破壞，從而引發安全事故。如果水擊現象經常發生，管道可能因振動造成疲勞破壞。

另外，管道監測系統故障高壓強水擊波在管道內的傳播，不僅造成輸送泵、閥門、計量設施等破壞，而且引起系統各種探測控制系統出現故障，造成整個系統停運。此時采用自動控制技術就顯得尤其重要，可以實時監測到各處壓力大小。

除此之外，采用自動控制也可以有效避免眾多不必要的危險情況的發生，因此，在長輸油氣管道中采用自動控制技術是十分必要的。

2 長輸油氣管道工藝設備的自動控制技術應用實踐

2.1 管道運行中自動控制技術的應用實踐

在長輸油氣管道運行過程中，自動控制技術通過對儀器儀表、壓縮機、泵等設備的自動化監控，全方位了解管道的運行情況，以便確保整個運輸過程的安全與穩定[2]。具體來講，自動控制技術的應用實踐主要有以下內容：

1）采集運行數據信息、自動化監視控制系統、自動檢測泄露情況。自動管控技術可以作為連接管道泄露自動監測系統以及監視控制系統，實時提供管道檢測信息以及定位信息，自動管控技術通過對信息的分析以及信號的預處理，能夠及時捕捉管道運行過程中出現的壓力波變化情況，即使為微小的變化，也能實現有效感應。再通過泄露判斷以及泄露報警模塊對采集信息的分析與處理，判斷運輸過程中管道是否出現了泄露，出現泄露后可以將泄露信息、泄漏點位置傳回終端系統以及執行程序當中，采取自動化控制手段，及時抑制影響，并為維修人員參考；泄露處理后或未出現泄露情況則會將信息存儲到歷史數據分析模塊、存檔模塊當中。自動控制技術利用其強大的信息處理功能以及高效執行功能，提升了管道運行管理的全面性以及時效性，減少在泄露判斷、維護上出現的錯誤，能夠為長輸油氣管道的運行提供更完善的保護。

2）利用混沌理論，通過超聲波對管道泄露情況展開精準檢測。現階段，該項技術用于長輸油氣管道原有管道泄露檢測以及超聲波信號檢測當中，其可以識別不同類型、不同特色的超聲波，對其聲場進行準確計算，并基于Duffing方程的間歇混沌與混沌特征檢測微弱正弦信號，再通過混沌陣子陣列能夠檢測出微弱信號的最大頻率，配合鎖相辦法對信號的相位以及幅值進行精準分析，將最終的分析結果運用到對管道運行情況的判斷上，可以有效識別管道是否存在泄露情況、運行異常、設備故障情況，一旦有突發情況出現，通過這項技術可以快速準確做出判斷，并向終端系統發出警報信號，以便問題得到快速處理[1]。

3）利用負壓波識別管道運行模式，準確判斷管道運行情況。這項技術是自動控制技術全面了解管道運行情況的支撐技術之一，其利用負壓信號，進行管道內運輸物質檢測以及定位，與其他技術相比，其不需要大量管道模型、設備的配合，工作效率更高、定位與監測效果更好。所以，目前負壓波識別技術的應用較為廣泛，其將壓力傳感器作為識別信號的主體，再配合負壓波對數字信號做出處理，可以準確的判斷管道內的情況。在長輸油氣管道運行過程，該項技術的定位精度誤差能夠始終維持在±200m水平上，一旦有突發情況，如管道泄露量超過1%時，則可以通過聲光警報及時傳遞警報信號，并自動定位泄漏點、監控泄露情況。

2.2 管道泄露事故預防中自動控制技術的應用實踐

目前，隨著我國長輸油氣管道運行負荷的增加，對于管道泄露的預防也成為自動化控制的重點工作，利用自動控制技術配合衛星通信技術，實現長輸油氣管道管理系統技術的革新，能夠有效提升管道泄露預防的自動化、網絡化以及智能化水平，減少泄露帶來的損失以及負面影響。

現階段，自動控制技術以及與管道模擬仿真技術有了初步的結合，通過實時、全面模擬管道內部運行情況，配合自動化控制技術，可以及早發現管道的泄漏點，以便技術人員在泄露發生前，采取措施進行處理，減少泄露問題的出現。同時，自動控制技術與管道效率也有了初步融合，實現了對管道更全面的監控，將管道運行效率對管道穩定性、管道安全的影響及時反饋給技術人員，以便根據管道的狀態做好維修以及養護方案，始終維持管道運行的穩定，從而規避泄露問題。

3 自動控制系統在福建LN G長輸管道一期的應用實例

3.1 線路工程

中海福建天然氣有限責任公司LNG站線項目一期工程高壓天然氣長輸管線包括秀嶼首站～漳州末站干線（190.1km）、秀嶼首站～青口分輸站干線（115.8km）、晉江分輸站～晉江電廠末站支線（37.4km）、翔安分輸站～廈門電廠末站支線（18.0km）、秀嶼首站～莆田電廠支線（0.5km），管道里程全長361.8km，沿途經過福建省莆田市、泉州市、廈門市、漳州市、福州市5個地級市。

1）莆田市：秀嶼首站～青口分輸站干線管線自秀嶼首站向東北行進，在東沁村南折向西北方向，沿城市道路一側敷設至大象村西靠海一側。之后沿海岸線前進，到達后江村北的勝利大堤南側，沿靠勝利大堤基礎平臺敷設到達太湖村南，之后管道折向東北方向，到達位于黃石鎮金山村西的莆田分輸站。此后管道向東北方向前行，在楊芳村東側與福泉高速公路并行。在江口鎮新墩村穿過福泉高速公路,在江口鎮港后村穿過秋蘆溪進入福清市境內。境內管道全長45.1km。

2）泉州市：秀嶼首站～漳州末站干線管道起自秀嶼首站，出秀嶼首站后穿越湄洲灣，從泉州市的泉港區界山鎮赤嶼仔村上岸，然后基本與福廈高速公路并行向前到達丘后村。穿過324國道，到達洛陽鎮云莊村。之后管線經西溪寮、在溪尾村南穿越泉廈高速公路，向東行進，在西湖村南穿越324國道，并在南安市水頭鎮的仁福村再次穿越324國道和泉廈高速公路，經下溪埔后沿324國道南側并行至位于泉州與廈門交界處的小盈嶺。境內管道全長108.9km。

3）廈門市：秀嶼首站～漳州末站干線管道從小盈嶺開始基本以約50m的間距與泉廈高速公路并行前進約1km，穿過福（州）～廈（門）高速公路和324國道然后繼續與泉廈高速公路并行前進，過浦頭村繼續與泉廈高速路并行約500m穿過泉廈高速，在同安區新民鎮石丹村穿越福廈鐵路后途徑禾山村、劉塘村、巖內村，到達廈門分輸站，在集美區后溪鎮東宅村穿過泉廈高速后并行，在灌口鎮東蔡村穿過泉廈高速公路和福廈鐵路后并行，在灌口鎮井城村穿過泉廈高速公路并行，到達廈門與漳州交界處。境內管道全長51.0km。

4）漳州市：秀嶼首站～漳州末站干線管線從廈門與漳州交界處開始，沿廈漳高速路并行前進，在漳州臺商投資區角美鎮吳宅村下穿廈漳高速路，過坂美村穿九龍江沿324國道并行前進，在龍海市榜山鎮梧浦村上山穿越夏蓉高速沿云洞巖風景區山腳。最后到達位于龍文區藍田鎮蔡板村的漳州末站。境內管道全長19.6km。

5）福州市：秀嶼首站～福州分輸站干線管道穿過秋蘆溪后進入福清縣境內，在福清市境內管線與福廈高速公路并行前進，到達在宏路鎮東坪村宏路分輸站。之后管線在橋仔頭村離開高速在高速和324國道間繼續沿東北方向前行，到達青口鎮，途經尚干鎮，到達祥謙鎮的青口分輸站后，管線連續翻越約3km山區段，在烏龍江大橋和高速烏龍江大橋之間穿過烏龍江，此后管線又翻過5km長的山區段，到達謝坑村西側的城門華潤門站。境內管道全長70.7km。

3.2 管道線路

根據福建LNG高壓天然氣長輸管道沿線敷設地點的地理位置和地質條件特征對其潛在的危險、有害因素分析如下。

3.2.1 河流、溝渠穿越的影響

本工程輸氣管道沿線多次穿越了河流、溝渠等水域，管道穿越河流、溝渠等水域處若未做水工保護或水工保護損毀沒有及時發現和采取措施，可能會對管道造成沖刷，可能造成管線懸空。

3.2.2 公路、鐵路穿越的影響

本工程輸氣管道沿線穿越鐵路4次，高速公路30次，一、二級公路39次，三級及三級以下等級公路280多條。對公路、鐵路進行施工或養護時，施工之前如果未制訂安全措施，施工過程如未通知管道運營單位現場監護，可能會破壞管線，造成天然氣泄漏，遇明火發生火災爆炸事故。

3.2.3 湄洲灣海域穿越的影響

該工程部分管段穿越湄洲灣，由于海上來往船只非常多，水上無序施工、船舶任意擱淺、起拋錨亂作業和拖網捕魚等行為，都容易造成管道破損，導致下游用戶供氣中斷等問題，給社會經濟和人民生活造成重大損失和影響。

另外，海底管道還存在海水腐蝕、海泥腐蝕、雜散電流腐蝕、細菌海洋生物腐蝕和應力腐蝕等，這些風險可能造成的應力變形、金屬損失、防腐層破壞、壁厚減少、引起管道撕裂或穿孔，導致輸氣管道泄漏。

為有效維護該段管道的安全運營，確保管道周邊民眾的生命財產安全，福建LNG與福建公安邊防總隊海警第二支隊二大隊簽訂了“關于加強湄洲灣海底天然氣管道安保工作的協議”，協議中明確了重點保護的區域及采取的對策措施。

重點保護的區域包括：湄洲灣海底管道兩側各100m的海域內禁止拋錨區域和管道附近禁止采砂區域。

采取的對策措施為：（1）海警二大隊建立對重點保護區域的常態化巡邏機制，每周對管道保護區域開展一次巡邏工作，巡邏期間視情況對周邊船只開展管道保護宣傳工作；（2）提高該段管道安保等級，保障充足警力、裝備，及時對關于重點保護區域內的拋錨、托錨、挖砂、打樁等非法活動的報警進行出警處理；（3）協助福建LNG開展海上管道保護宣傳工作。

該段管道自投產至今，運行平穩，未發生天燃氣管道泄漏事故。

3.3 自動控制技術

3.3.1 自控

本工程管道全線采用以計算機為核心的監控和數據采集系統（SCADA系統）完成管道全線輸氣站及線路截斷閥的數據采集、監控和管理等任務，全線調控中心設在秀嶼接收站中央控制室。SCADA系統主要由中央控制室的計算機系統、站控制系統、通信系統構成。

SCADA系統的控制水平達到在中央控制室完成對全線各個站場、線路截斷閥室的監控、調度、管理等任務。同時，沿線各站的站控制系統可獨立監控該站運行，并將有關信息提供給中央控制室。

在沿線各分輸站分別設置SCADA站控系統（SCS），在干線及支線的線路截斷閥室設置遠程終端裝置（RTU）。

本工程SCADA系統的控制和管理分為3級：第1級為中央控制室監視、控制及調度管理；第2級為站控制室控制；第3級為就地手動控制。在正常情況下，由中央控制室對管道全線進行監視和控制。當數據通信系統發生故障或控制中心主計算機發生故障或系統檢修時，通過站控系統實現對各站的監視與控制。當進行設備檢修或緊急切斷時，可采用就地手動控制方式。

1）中央控制室的計算機系統按客戶機/服務器結構設置。其操作系統采用實時多任務操作系統。局域網采用冗余配置。操作員工作站、工程師工作站等均作為局域網上的一個節點，共享服務器的資源。

2）秀嶼中央控制室與各站控系統采用雙向點對點通信方式。秀嶼中央控制室與各站控系統之間的數據通過郵電公網的SDH專用通道傳輸，備用信道采用FR專用通道傳輸。

3）在站場工藝設備區和發電機房設有可燃氣體探測器，站控室設有可燃氣體控制盤，對站場可燃氣體濃度進行監視和報警。在各站場重要房間（例如，站控室、站控機房、UPS間等）設置有火災自動報警系統。火災自動報警系統設置包括：感溫探測器、感煙探測器、聲光報警器、手動報警按鈕、緊急啟動按鈕、緊急停止按鈕等。

4）站控制系統是SCADA系統的遠方控制單元，它不但能獨立完成對所在站的數據采集和控制，而且將有關信息傳送給中央控制室并接受中央控制室下達的命令。站控制系統主要由過程控制單元、操作員工作站、數據通信接口等構成。

3.3.2 通信系統

本工程管道通信采用光纜通信作為主用通信方式，公網通信為備用。各站場依托公網系統設置有電話、傳真等。站場巡檢語音通信采用防爆無線對講機。并且各站均配備1部防爆移動手機，用于巡檢搶修應急通信。

4 長輸油氣管道工藝設備的自動控制技術未來發展

隨著自動控制技術在長輸油氣管道工藝設備中的運用，對其功能以及作用的要求也逐步提高，因此，在長輸油氣管道工藝設備的自動控制技術未來發展中應實現與仿真、信息技術更深入的融合，真正實現無人值守與遠程調控管理，這將從根本上優化長輸油氣管工藝設備控制工作模式。

4.1 模擬仿真系統的未來發展

模擬仿真系統配合自動控制技術是當前長輸油氣管道工藝設備控制的主要模式，但現階段對于模擬仿真系統的功能開發還處于淺層階段，未來應充分利用模擬仿真系統提供的數據方案，從更多元維度對油氣管道運行情況進行描述，如溫度、流量、壓力、時間等，并對變量展開動態監控，建立起能夠動態反饋狀態的方程，從而更精準地展開控制工作[2]。

4.2 SCA D A系統的未來發展

SCADA系統是油氣管道工藝設備自動控制的基礎，其將計算機、展控制、閥室RTU等系統連接起來組建調度控制中心，由操作人員根據匯總反饋的管道運行參數、設備運行狀態，對泵、閥、壓縮機等設備進行調控，以便保持管道運行平穩。但目前SCADA系統的遠程操作功能以及部分設備的控制還存在缺陷，如在調度控制中心無法實現遠程啟停、無法獲取多維度狀態反饋信號等。因此，在未來的發展中，需要不斷完善系統功能，保障其能夠對油氣管道運行中所有設備都能夠展開有效的控制，并通過對設備運行狀態的了解，提升自動控制水平。

4.3 數據管理系統的未來發展

現階段，數據采集工作主要有SCADA系統內的通信網絡采集站場完成，其可以采集管道狀態信息、線路信息、設備信息、閥室信息，讓調度中心全方位了解管道運行狀態，但其在線路管理、運營管理、資產管理等方面發揮的作用并不完善，主要原因在于油氣管道狀態以及設備運行狀態十分復雜，需要從多個角度展開描述，但當前的技術僅能實現壓力、超聲波等角度展開描述，因此，無法保障數據采集的全面性。在未來，還需要針對數據采集與管理進行優化，以便更全面的反饋信息。

5 結語

綜上所述，本文對現階段長輸油氣管道工藝設備的自動控制技術應用實踐進行了分析，并從長遠角度考慮了長輸油氣管道未來發展中對自動控制技術的要求，希望通過此次論述讓同行業認識到自動控制技術的優勢與價值，并在工作中不斷探究與創新，優化自動控制技術，為長輸油氣管道運行提供更全面的保障。